想象一下,在未来的某一天,一个装满病人自身细胞的生物打印机在患者床边来回移动,通过“打印皮肤”帮助患者一层一层地愈合大面积的伤口或烧伤。这听起来似乎有点科幻,但实际上我们离这一天并不遥远。
位于北卡罗来纳州温斯顿-塞勒姆的维克森林再生医学研究所(WFIRM)的科学家们就发明了一种皮肤生物打印系统,利用人体自身的皮肤细胞来制造新的皮肤层,并将其直接涂在伤口上,以帮助修补通常需要皮肤移植的大面积伤口。
这是同类产品中首个可以将双层皮肤(角质形成细胞以及成纤维细胞)直接“印”在伤口上的生物打印机,这将利用生物打印机“打印皮肤层”来帮助治疗慢性伤口或烧伤成为可能。
虽然 3D 打印机的出现被普遍认为是制造业的一场革命,但同时它也可能给医学带来巨大的好处。而 3D 打印皮肤的想法也已经发展了好几年,自2014 年第一台原型机问世,它可以打印出大片人类皮肤,然后将其切割成合适的大小,移植到病人身上。如今,这项技术逐渐发展成为更精细的机器,最终成为一种手持设备,就像皮肤上的胶带分配器。
而 WFIRM 的科学家发明的这台新机器看起来介于这两者之间。它比手持设备大得多,但在医院环境中仍然相对便携。机器可以被推到床边,病人可以躺在打印机喷嘴下,这为病人长时间接受治疗时提供了良好的条件。
和之前的 3D 打印皮肤设备一样,新打印机使用的是由病人自身细胞组成的“墨水”,这可以将排斥反应的风险降到。
在整个修复过程中,研究人员首先利用新型机器对健康的皮肤进行活检,从中分离出两种类型的皮肤细胞:帮助构建愈合伤口的结构纤维母细胞和皮肤最外层的角质形成细胞。然后将活组织检查样品增殖出更大量的细胞,机器并将其混合到水凝胶中以形成生物打印机的“墨水”,这就是修复伤口的“原材料”。
而新型皮肤打印机与之前的不同之处在于:新机器不仅仅只是在伤口上涂抹新生的皮肤,而是首先利用 3D 激光扫描仪扫描患者的伤口,来构建伤口拓扑图,再将数据输入软件,并告诉设备将打印的皮肤层放在哪里。利用该图像,该装置将生成的纤维母细胞填充最深部分,然后在伤口的上层构建角质形成细胞形成的组织。
皮肤是人体的器官,它保护体内各种组织和器官免受各种外界刺激,是人体非常重要的天然屏障。而有些人在爆炸、车祸、火烧等灾害中使皮肤受到创伤。糖尿病、静脉溃疡、压疮和烧伤等慢性创伤对患者和外科医生来说也是一种负担,这影响着美国 700 多万患者,每年的治疗支出高达 250 亿美元。
对于军事人员来说,在常规战争中,烧伤占战斗伤亡的 10% - 30%。想要对一些慢性、大面积或不能愈合的伤口进行治疗是特别昂贵的,因为这些伤口往往需要多种治疗。例如,治疗一个糖尿病足溃疡大约需要 5 万美元。
医护人员治愈慢性创伤的方法有很多,例如使用伤口敷料就是其中一个,而且比较普遍,但其价格和效果各不相同。对于大面积的慢性伤口和烧伤,皮肤移植也是一种选择,但皮肤移植分为自体移植和异体皮肤移植。
研究人员指出,皮肤移植很常见,但也有很多缺点。自体移植是指从患者自身取部分皮肤移植到创伤处,但由于缺乏健康组织,自体移植很难实行,而异体皮肤移植有组织排斥的风险。新的生物打印技术将助于改善这些风险,因为它能让皮肤从伤口中心向外生长,这个优势只存在于自体移植。
这种技术通过模仿皮肤细胞的自然结构,加速了伤口愈合的速度。研究人员利用小鼠模型证明了这种方法的有效性,并且他们观察到新皮肤开始从伤口中心向外形成。最值得注意的一点是,这个新设备所使用的“墨水”材料是独一无二的,是由病人本身的细胞培养繁殖而来,这就不需要供体皮肤移植,避免了移植排斥的情况发生,风险也更小。
领导该研究小组的 James Yoo 博士解释说,新型生物皮肤打印可以使创口更快地开始愈合。他表示,其他的治疗方法并不能像生物打印机这样真正创造皮肤。
研究人员表示,下一步需要进行人体临床试验。最终,这种新设备将可能帮助一些烧伤患者、糖尿病溃疡患者和其他难以自行愈合的大面积伤口患者进行安全、快捷的治疗。
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